Penguapan Hawking

Cahaya pelan dan kilatan terakhir lubang hitam: bagaimana ia akan berakhir dan seperti apa rupanya

Sebuah pengandaian: fisika mengizinkannya di atas kertas, tetapi belum ada yang pernah melihatnya. Semuanya mengikuti teori saat ini.

Tonton dalam 3D

Langkah demi langkah

Lubang hitam yang bersinar

Sebelum itu, lubang hitam adalah penyerap sempurna: cahaya masuk dan tak ada yang keluar, sehingga tampaknya tak bersuhu sama sekali. Jacob Bekenstein berpendapat pada 1972 bahwa ia harus punya suhu. Hawking mula-mula meragukannya, lalu menemukan dalam perhitungannya sendiri bahwa lubang itu memang meradiasi.

Suhunya ħc³ / 8πGMk, jadi turun saat massa naik. Untuk satu Matahari itu sekitar 62 nanokelvin, dan cahayanya hanya membawa 9 × 10⁻²⁹ watt, sementara radiasi latar langit mengalir ke lubang itu ratusan watt.

Tak seorang pun pernah melihat cahaya ini pada lubang hitam nyata. Di sini digambar biru pucat, sebab terlalu redup untuk dilihat. Bayangan hitam dan bintang yang melengkung di sekitarnya diikuti melalui geometri lubang, sebagaimana kata relativitas umum.

Dari mana cahaya itu datang

Gambaran pasangan itu kasar, dan Hawking memakainya hanya untuk menjelaskan. Perhitungannya memperlakukan medan kuantum di ruang lengkung bintang yang runtuh, dan menemukan bahwa lama setelah keruntuhan pengamat jauh melihat partikel mengalir keluar, dengan pola cahaya benda hangat.

Ukurannya mengikuti aturan yang rapi: panjang gelombang paling terang cahaya itu sekitar 16 kali jari-jari lubang, berapa pun massanya. Lubang selebar beberapa kilometer bersinar dalam gelombang radio sepanjang puluhan kilometer. Lubang seukuran proton akan bersinar dalam sinar gamma.

Energinya keluar dari massa lubang itu sendiri: tiap kuantum yang lolos membawa sedikit, sehingga lubang jadi lebih ringan. Percikan yang mengalir keluar di sini digambar, sebab tak ada mata yang bisa melihatnya.

Bagaimana lubang dibuat

Resepnya tak pernah berubah: ambil sebuah massa dan masukkan semuanya ke dalam bola berjari-jari 2GM/c². Bumi harus dimampatkan hingga sebesar kelereng, Matahari hingga selebar enam kilometer. Tak ada yang ditambahkan: dari jauh lubang menarik seperti aslinya. Hanya di dekat sekali tak ada yang bisa keluar.

Bintang melakukannya sendiri. Ketika bintang sekitar dua puluh Matahari atau lebih kehabisan bahan bakar, intinya tak lagi tertahan dan runtuh dalam sepersekian detik, meninggalkan lubang dari beberapa hingga puluhan Matahari. Gambar mengikutinya sebagaimana dilihat pengamat jauh: permukaan merayap ke horizon dan cahayanya meredup dalam beberapa ratus sepersejuta detik (Oppenheimer dan Snyder, 1939).

Lubang mungil, yang akan bersinar panas dan mati dalam hidup kita, lain soal. Yang terkecil yang diizinkan teori bermassa Planck, 2,2 × 10⁻⁸ kilogram, dan membuatnya butuh sekitar 10¹⁶ TeV energi. Large Hadron Collider menumbukkan proton pada 13,6 TeV, sekitar satu juta miliar kali terlalu sedikit.

Beberapa teori dengan dimensi tersembunyi tambahan akan menurunkan harga itu ke jangkauan penumbuk, dan eksperimennya mencari lubang mungil yang akan langsung menguap. Tak satu pun muncul. Lubang mungil yang mungkin dibuat alam datang belakangan.

Ia menyusut, dan memanas

Aturannya sederhana. Suhu berbanding 1 per massa, daya 1 per massa kuadrat, dan umur seperti massa pangkat tiga: lubang dua kali lebih berat hidup delapan kali lebih lama. Menjumlahkan massa yang hilang, saat demi saat, memberi rumus Hawking untuk umur.

Grafik mengikuti satu lubang sepanjang hidupnya. Hampir sepanjang hidup itu nyaris tak ada yang berubah: di tengah, empat perlima massa masih ada. Hanya di saat-saat terakhir massa merosot dan suhu melonjak.

Ini rumus Hawking, yang belum diuji siapa pun pada lubang hitam nyata. Cahaya dalam gambar digambar.

Penantian panjang

Latar gelombang mikro kosmik hari ini 2,725 kelvin dan mendingin seiring ruang meregang. Hanya lubang yang lebih ringan daripada sekitar 4,5 × 10²² kilogram, enam persepuluh massa Bulan, yang lebih panas daripada langit. Setiap lubang buatan bintang jauh lebih berat, jadi semuanya masih tumbuh.

Dalam gambaran standar, energi gelap menjaga peregangan berlangsung selamanya, dan latar mendingin dengan faktor e tiap 17 miliar tahun. Butuh sekitar 18 kali itu untuk turun ke suhu lubang sebesar satu Matahari, sekitar tiga ratus miliar tahun dari sekarang.

Langit dalam gambar memudar untuk menunjukkan penantian. Jauh sebelum itu bintang-bintang akan padam dan galaksi lain akan lenyap dari pandangan. Pemudarannya digambar.

Yang kecil

Lubang seperti itu berjari-jari sekitar 2,6 × 10⁻¹⁶ meter, sepertiga jari-jari proton, dan bersinar pada 7 × 10¹¹ kelvin. Umurnya adalah usia alam semesta: dibuat di awal sekali, ia akan mati hari ini. Yang lebih ringan sudah lenyap.

Gagasannya adalah bahwa wilayah alam semesta awal yang sedikit lebih rapat daripada rata-rata bisa runtuh, seperti diusulkan Zeldovich dan Novikov pada 1966 dan dikerjakan Carr dan Hawking pada 1974. Tak ada yang menunjukkan bahwa ada yang melakukannya.

Lubang primordial yang lebih berat masih akan ada, dan sebagian diusulkan sebagai materi gelap. Pengamatan menyingkirkan sebagian besar massa, tetapi beberapa celah masih terbuka. Sudut menunjukkan betapa kecilnya lubang yang sekarat di samping sebuah proton.

Detik terakhir

Saat itu suhunya sekitar 5 × 10¹⁷ kelvin, jauh lebih panas daripada tumbukan di Large Hadron Collider. Setiap jenis partikel yang ada akan mengalir keluar, dan mungkin jenis yang belum ditemukan, dari lubang selebar hanya 7 × 10⁻²² meter.

Apa yang terjadi di akhir sekali tidak diketahui. Ketika massa mendekati massa Planck, sekitar 22 mikrogram, perhitungan Hawking tak lagi dapat diandalkan dan teori gravitasi kuantum diperlukan. Hitung mundur sampai di sana dalam sekitar 10⁻³⁹ detik. Sebagian mengira sisa mungil tertinggal.

Gambar menunjukkan hitung mundur: lubang menyusut, dan cahaya yang digambar menyebar dan makin terang sampai kilatan memenuhi pandangan. Ia akan terdiri dari sinar gamma dan partikel, yang tak bisa dilihat.

Ke mana informasi pergi?

Cahaya itu tampaknya keluar tanpa jejak apa yang jatuh ke dalam: sebuah buku dan sebongkah batu bisa menghasilkan cahaya yang identik. Tetapi fisika kuantum berkata informasi tak pernah dimusnahkan. Paradoks informasi ini masih salah satu teka-teki terdalam fisika.

Hawking menunjuk kesulitan itu pada 1976. Lubang yang menguap sepenuhnya hanya meninggalkan radiasi termal, dan radiasi termal sama saja apa pun yang membuat lubang itu. Jika demikian, yang jatuh ke dalam hilang, yang dilarang mekanika kuantum.

Pada 1993 Don Page menunjukkan bagaimana entropi radiasi seharusnya berperilaku jika informasi selamat: naik sampai sekitar separuh lubang hilang, lalu turun lagi. Perhitungan asli Hawking memberi kurva yang hanya naik. Sudut menyketsakan keduanya.

Pada 2019 beberapa kelompok memperoleh bagian yang turun dari perhitungan yang menghitung potongan ruang tambahan bernama pulau. Ini berlaku di model yang disederhanakan. Untuk lubang hitam nyata pertanyaannya masih terbuka.

Adakah yang pernah melihatnya?

Belum. Belum pernah ada lubang hitam yang terlihat bersinar, dan kilatan terakhir lubang mungil pun tak ditemukan. Tetapi pada 2016 Jeff Steinhauer melihat cahaya serupa di tepi «lubang hitam» bunyi dalam awan atom ultradingin.

Awan atom rubidium Steinhauer mengalir lebih cepat daripada bunyi di dalamnya, sehingga gelombang bunyi tak bisa kembali keluar, seperti cahaya tak bisa dari lubang hitam. Di tepinya muncul pasangan kuanta bunyi dengan pola yang diberikan metode Hawking. Ini menunjukkan matematikanya bekerja; ini bukan gravitasi.

Di langit, pencarian kilatan terakhir lubang mungil tak menemukan satu pun. Teleskop seperti Teleskop Area Luas Fermi dan HAWC telah membatasi kilatan itu hingga kurang dari sekitar sepuluh ribu per parsek kubik per tahun.

Jadi radiasi Hawking adalah prediksi paling dicintai yang belum pernah dilihat siapa pun pada lubang hitam nyata. Tak ada dari ini yang pernah terlihat, dan cahaya serta kilatan dalam gambar digambar.